[发明专利]一种超薄钯基纳米片电催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种超薄钯基合金(PdM)纳米片催化剂，属于电化学，新能源和新材料领域。该催化剂的摩尔百分比组成为：M：5～20％，Pd：20～95％。本发明采用乙酰丙酮钯和金属羰基物为Pd和M的前驱体，抗坏血酸为还原剂，油胺为溶剂，通过化学液相还原得到超薄二维PdM纳米片。本发明得到的纳米片具有高电化学活性面积，高催化活性和稳定性等优点，为推进燃料电池的商业化提供技术支撑。

技术领域

本发明涉及一种超薄钯基纳米片电催化剂及其制备方法，属于电化 学，新能源和新材料领域。

背景技术

全球化的能源危机、环境污染和气候变暖问题迫使人们寻找和利用可 再生能源以摆脱对化石燃料的依赖。由于不受卡诺循环的限制，直接将化 学能转化为电能的燃料电池具有转换效率高和环境友好的特点，被普遍认 为是将来的最佳能源转换装置。目前，限制燃料电池大规模应用的主要技 术障碍在于其需要极高的铂(Pt，Platinum)用量作为促进其阴极氧还原反 应的催化剂。为解决这一问题，急需开发高活性的非Pt催化材料。钯(Pd， Palladium)具有与铂相近的物理化学性质，其催化活性略低于Pt，而其成 本却只有其三分之一。此外，将Pd与其他过渡金属(M，transition metals) 形成合金PdM，可进一步改善Pd的d轨道电子结构，从而优化其与氧还 原反应物，反应中间体及产物的结合键强度，从而使其活性接近甚至超越 Pt。

诸多研究表明，通过调节晶格应力作用和电子调控作用可有效提升Pd 的氧还原催化活性。美国布朗大学Sun课题组采用液相化学还原法制得了 M/CuPd(M为银和金)核/壳纳米催化剂，其氧还原催化活性高于商业的 铂催化剂。他们认为，内核对外壳Pd的压缩应力以及Cu对Pd的电子调 控是其活性得到的提升的关键。实验上，可通过调节外壳的厚度达到优化 应力的目的；而调节Cu在外壳的比例则可优化Pd的电子结构。然而，此 催化剂的缺点在于贵金属Pd的利用效率不够高，其成本仍有降低的空间。

综上，通过引入其他过渡金属M对Pd基催化剂的电子结构以及晶格 应力的优化，可实现对其催化性能的大幅提升；若能进一步提高Pd的利 用率，则可有效降低燃料电池阴极催化剂的成本，最终实现商业化。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种替代Pt，低成本，高贵金属利用效率 和催化活性的超薄Pd基纳米片作为燃料电池阴极氧还原电催化材料。

为实现本发明的上述目的，采用以下技术方案：

一种燃料电池阴极氧还原反应用PdM(此处M指钼、钨、铁和钴) 合金超薄纳米片电催化剂，其摩尔百分比组成为：M：5～20％，Pd：80～95％； 厚度小于1纳米。

本发明的另一目的在于提供一种超薄二维金属材料的制备方法。

一种燃料电池用超薄Pd基纳米片的制备方法，包括如下步骤：

(1)首先称取一定量的乙酰丙酮钯，金属羰基物，抗坏血酸，以及 油胺在反应瓶中超声混合均匀；

(2)将步骤(1)得到的分散液加热至80℃～120℃，待反应12小时 后取出，冷却至室温；

(3)向步骤(2)得到的溶液中加入一定量乙醇，离心后即可得到PdM 超薄纳米片，再用环己烷/乙醇混合液洗涤数次后，将其分散于环己烷中备 用。

步骤(1)中，所述的金属羰基物为羰基钼，羰基钨，羰基铁和羰基 钴中的一种。分散液中各物质的浓度分别为：乙酰丙酮钯为0.001～0.05摩 尔/升，金属羰基物为0.001～0.05摩尔/升，抗坏血酸为0.01～0.1摩尔/升。

所述的超声混合在室温下(不超过30℃)进行，超声分散时间为 0.5～2h。

本发明的优点：